機頂盒實時監測視頻I幀間隔時間供前端優化研究
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摘要 伴隨數字電視業務的蓬勃發展，機頂盒已成為普通家庭用戶主要娛樂終端設備。廣播電視網逐步實現了產品化，網絡話，數字化，市場發展前景廣闊。用戶數量增多帶來的各種投訴居高不下，其中，機頂盒換臺速度慢占比較大。對此，加強機頂盒快速換臺研究，提升機頂盒換臺速度已成為相關工程師研究與關注的重點。基于此，在數字電視原理分析與實踐工作經驗總結的基礎上，從機頂盒快速換臺展現音視頻內容入手，就機頂盒實時監測視頻I幀間隔時間供前端優化音視頻流數據進行了研究與分析，以供相關專業技術人員參考。
【關鍵詞】機頂盒 I幀間隔 換臺速度
“機頂盒”是數字視頻變換盒（SetTopBox）的簡稱，是實現數字音視頻信號在電視上展示的關鍵設備。機頂盒的功能已從一個多頻率的調諧器和解碼器躍升為大量電影、多媒體事件、新聞等聯機數據庫的一個控制終端。隨著數字電視、機頂盒的普及，和設備日趨復雜，以及加密節目的因素，用傳統的工具已經無法分析出用戶端節目的I幀間隔，給運營商通過調整播出節目的I幀時間間隔，進而調整用戶端節目換臺時間過長問題，造成了很大的麻煩。如果運營商能根據I幀時間間隔的檢測結果，對I幀過長的節目進行處理，減少I幀的間隔時間，則就可以從本質上提高換臺速度。這也是本文研究的主要目標所在。
1 合理設置視頻I幀時間間隔的重要性
數字電視機頂盒的換臺時間，與遙控器響應時間、高頻頭鎖定時間、ECM獲取時間、設置解擾字的時間，運營商節目播出的I幀時間間隔密切相關。
MPEG圖像是由I幀，B幀，P幀組成，其中I幀是一個全幀壓縮編碼幀，解碼時僅用I幀的數據就可重構完整圖像，I幀不需要參考其他畫面可直接構建完整圖像，I幀是P幀和B幀的參考幀，I幀是幀組GOP的基礎幀。P幀是以I幀為參考幀，在I幀中找出P幀某像素的預測值和運動矢量，取預測差值和運動矢量一起傳送。在接收端根據運動矢量從I幀中找出P幀某像素的預測值并與差值相加以得到P幀某像素樣值，從而可得到完整的P幀。B幀以前面的I或P幀和后面的P幀為參考幀，找出B幀某像素的預測值和兩個運動矢量，并取預測差值和運動矢量傳送。接收端根據運動矢量在兩個參考幀中算出預測值并與差值求和，得到B幀某像素樣值，從而可得到完整的B幀。
I幀和P幀的解碼算法比較簡單，資源占用也比較少，I幀只要自己就能完成解碼，P幀也只需要解碼器把前一個畫面緩存一下，遇到P時就使用之前緩存的畫面就好了，如果視頻流只有I和P，解碼器可以不管后面的數據，邊讀邊解碼，線性前進，大家很舒服，但占用的空間很大，不適合網絡實時傳輸視頻流。
通過網絡傳輸的視頻大都都采用了B幀，因為B幀記錄的是前后幀的差別，比P幀能節約更多的空間。但這樣一來，文件小了，緩解了網絡傳輸壓力，解碼器任務就重了，因為在解碼時，不僅要用之前緩存的畫面，還要知道下一個I幀或者P幀的畫面，通俗的說就是要預讀預解碼，而且，B幀不能簡單地丟掉，因為B幀其實也包含了畫面信息，如果簡單丟掉，并用之前的畫面簡單重復，就會造成畫面丟幀，并且由于網絡傳輸的視頻為了節約空間，往往使用相當多的B幀，B幀用的多，如果I幀間隔設置不合理，換臺速度就會出現較大波動。
I幀的壓縮率約為7，P幀的壓縮率約為20，B幀的壓縮率可以達到50左右，可見使用B幀能節省大量空間，節省出來的空間可以用來保存多一些I幀，這樣在相同碼率下，可以提供更好的畫質，可見合理設置I幀的重要性。
從多年的數字電視實踐經驗去分析，I幀時間間隔過長是影響機頂盒換臺速度的重要原因之一。運營商視頻節目來源不同，I幀的間隔時間可能就存在差異，實際播放過程中導致個別節目換臺時間較長，用戶投訴較多。目前傳輸的數字電視節目已加密節目為主，用傳統的工具已經無法分析出用戶端節目的I幀間隔，給運營商通過調整播出節目的I幀時間間隔，進而優化用戶端節目換臺時間過長問題，造成了很大的麻煩。如果運營商能根據I幀時間間隔的檢測結果，對I幀過長的節目進行處理，減少I幀的間隔時間，則就可以從本質上提高換臺速度。
2 機頂盒提供實時監測視頻I幀間隔時間技術
機頂盒每次換臺的時候，當第一幀I幀芯片解碼出來的時候，就開始計數和計時，然后每次檢測到I幀，則增加計數，同時統計I幀間隔時間。
機頂盒在切換到新的節目時候，首先視頻解碼器會從鎖定的TS碼流中尋找，首先找到的I幀參考點，首先找到的這個I幀參考點就是第一個I幀。當視頻解碼器把I幀數據解碼還原成圖像后，準備呈現給用戶的時候。這個時候就是I幀的起始點時間。我們稱為開始基準時間點T0。然后找到第二個I幀數據解碼成圖像后，我們稱為T1時間點，第三個I幀稱為T2時間點，第四個I幀稱為T3時間點，依次類推我們可以得到T4，T5，T6，T7......這些I幀時間點。相鄰兩個I幀時間點Tn+1與Tn的時間間隔就稱為相鄰I幀的間隔時間Dn。
我們把相鄰兩個I幀的時間間隔最大的Dn稱為I幀最大間隔時間，相鄰兩個I幀的時間間隔最小的Dn稱為I幀的最小間隔時間。那么I幀平均間隔時間=（Tn–T0）/n。機頂盒通過技術手段呈現這些內容。例如把統計出來的I幀平均時間間隔、最大時間間隔和最小時間間隔時間通過特定菜單呈現給運維人員，或者通過特定的回傳通道傳輸給統計服務器，供相關專業技術人員分析使用。
3 結論
總之，無論是DVB機頂盒還是IP網絡機頂盒，運用本文所述技術方法，數字電視終端能準確的檢測運營商加密節目的I幀間隔，解決了常規軟件分析不了加密節目的I幀間隔問題，為運營商提供了一個實時監控每個節目的I幀間隔時間的機頂盒解決方案。此方案僅通過優化軟件即可完成，不增加硬件成本。如果用戶反饋節目換臺時間異常，節目運營商可獲取用戶反饋的指定節目的I幀時間間隔的數據，如果是因為I幀間隔導致的換臺時間異常，可以在節目播出端，對節目進行更加合理的優化處理，確保播出節目的I幀間隔合理，提高節目的流暢性和提高終端機頂盒換臺的速度，給用戶更加好的體驗。為有線電視終端事業穩定與可持續競爭發展提供技術支撐，奠定良好基礎，促進用戶和運營商關系良性發展。
參考文獻
[1]王進.視頻流媒體的數據結構中IBP幀的格式解析[J].中國科技成果，2016，17（11）：38-40.
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